Дифференцирующее устройство

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в корректирующих устройствах следящих систем и измерительных приборах. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Для этого устройство содержит масштабный резистор, первый и второй усилители-ограничители, дифференциальный усилитель постоянного тока, источник входного напряжения, конденсатор, общую шину, первый и второй управляемые источники тока, ключ, также введены первый и второй логические элементы И, логический элемент 2 - 2И - 2ИЛИ, первый и второй логические элементы И - НЕ. 1 ил.

 

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в корректирующих устройствах следящих систем и измерительных приборах.

Известно дифференцирующее устройство, состоящее из дифференциального усилителя, выход которого связан с выходом интегрирующего усилителя, а цепи обратных связей обоих усилителей шунтируются контактами реле [1].

Недостатками такого устройства являются низкая точность из-за растущих со временем ошибок и сложности устройства, так как оно содержит два усилителя и два реле, которые надо коммутировать в разное время.

Известно дифференцирующее устройство, содержащее два интегратора, две аналоговые запоминающие ячейки, подключенные к выходам соответствующих интеграторов, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с управляющими входами аналоговых запоминающих ячеек, первые входы интеграторов подключены к источнику дифференцируемого напряжения, вторые входы интеграторов подсоединены к выходу первой аналоговой запоминающей ячейки, третий вход второго интегратора подключен к выходу второй аналоговой запоминающей ячейки [2].

Недостатками указанного устройства являются низкая точность, обусловленная потерей информации в аналоговых запоминающих ячейках и неточностью выполнения операции интегрирования в интеграторах, и низкая надежность из-за сложности устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является дифференцирующее устройство, содержащее масштабный резистор, подключенный к выходным зажимам устройства, дифференциальный усилитель постоянного тока, к одному из входов которого подсоединен источник входного напряжения, к другому входу - первый вывод конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, управляемый источник тока, выход которого через масштабный резистор подсоединен к первому выводу конденсатора, ключ, информационный вход которого подключен к выходу управляемого источника тока, а выход подсоединен к общей шине, усилитель-ограничитель, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, а выход одновременно подсоединен к входу управляемого источника тока и управляющему входу ключа [3].

Указанное устройство имеет узкие функциональные возможности, так как позволяет выполнять операцию дифференцирования входных сигналов только одной полярности.

Заявляемое изобретение решает задачу создания устройства, лишенного вышеперечисленных недостатков. Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения дифференцирования входных сигналов как положительной, так и отрицательной полярностей.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференцирующее устройство, содержащее масштабный резистор, подключенный к выходным зажимам устройства, усилитель-ограничитель, вход которого подсоединен к выходу дифференциального усилителя постоянного тока, к первому входу которого подключен источник входного напряжения, к второму входу - первый вывод конденсатора, второй вывод которого подсоединен к общей шине, управляемый источник тока, выход которого через масштабный резистор подключен к первому выводу конденсатора, ключ, первый и второй выводы которого подсоединены к выходу управляемого источника тока и общей шине соответственно, введены второй усилитель-ограничитель, вход которого подключен к источнику входного напряжения, первый логический элемент И, выход которого подсоединен к входу первого управляемого источника тока, логический элемент 2 - 2И - 2ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа, выход первого усилителя-ограничителя подсоединен одновременно к первым входам первого логического элемента И, логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и к входу второго логического элемента И - НЕ, выход второго усилителя-ограничителя подключен одновременно к второму входу первого логического элемента И, к третьему входу логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и к входу первого логического элемента И - НЕ, выход которого подсоединен одновременно к вторым входам логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и второго логического элемента И, выход второго логического элемента И - НЕ подключен одновременно к четвертому входу логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и к первому входу второго логического элемента И, выход которого подсоединен к входу второго управляемого источника тока, выход которого подключен к первому выводу ключа.

Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемое дифференцирующее устройство отличается тем, что в него дополнительно введены второй усилитель-ограничитель, вход которого подключен к источнику входного напряжения, первый логический элемент И, выход которого подсоединен к входу первого управляемого источника тока, логический элемент 2 - 2И - 2ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа, выход первого усилителя-ограничителя подсоединен одновременно к первым входам первого логического элемента И, логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и к входу второго логического элемента И - НЕ, выход второго усилителя-ограничителя подключен одновременно к второму входу первого логического элемента И, к третьему входу логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и к входу первого логического элемента И - НЕ, выход которого подсоединен одновременно к вторым входам логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и второго логического элемента И, выход второго логического элемента И - НЕ подключен одновременно к четвертому входу логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ и к первому входу второго логического элемента И, выход которого подсоединен к входу второго управляемого источника тока, выход которого подключен к первому выводу ключа.

Таким образом, заявляемое дифференцирующее устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие дифференцирующее устройство от прототипа. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Изобретательский уровень".

На чертеже приведена структурная электрическая схема дифференцирующего устройства.

Дифференцирующее устройство содержит дифференциальный усилитель постоянного тока 1, первый и второй усилители-ограничители 2, 3, первый и второй логические элементы И 4, 8, логический элемент 2 - 2И - 2ИЛИ 5, первый и второй логические элементы И - НЕ 6, 7, первый и второй управляемые источники тока 9, 10, ключ 11, масштабный резистор 12 и конденсатор 13.

Первый вход дифференциального усилителя постоянного тока 1 и вход второго усилителя-ограничителя 3 подключены к источнику входного напряжения. Выход дифференциального усилителя постоянного тока 1 подсоединен к входу первого усилителя-ограничителя 2. Выход первого усилителя-ограничителя подключен одновременно к первым входам первого логического элемента И 4, логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и к входу второго логического элемента И - НЕ 7. Выход первого логического элемента И 4 подсоединен к входу первого управляемого источника тока 9, выход которого подключен к первому выводу ключа 11. Выход второго усилителя-ограничителя 3 подсоединен одновременно к второму входу первого логического элемента И 4, к третьему входу логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и входу первого логического элемента И - НЕ 6. Выход второго логического элемента И - НЕ 7 подключен одновременно к четвертому входу логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и первому входу второго логического элемента И 8. Выход первого логического элемента И - НЕ 6 подсоединен одновременно к вторым входам логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и второго логического элемента И 8. Выход логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 подключен к управляющему входу ключа 11. Выход второго логического элемента И 8 подсоединен к входу второго управляемого источника тока 10, выход которого подключен одновременно к первым выводам ключа 11 и масштабного резистора 12. Второй вывод масштабного резистора 12 подсоединен одновременно к второму входу дифференциального усилителя постоянного тока 1 и к первому выводу конденсатора 13, второй вывод которого подключен к общей шине. Первый и второй выводы масштабного резистора 12 подсоединены к выходным зажимам дифференцирующего устройства.

Дифференцирующее устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии входной сигнал на дифференцирующее устройство не подан, на выходах дифференциального усилителя постоянного тока 1, усилителей-ограничителей 2, 3, логических элементов 4...8 сигналы отсутствуют (равны нулю), управляемые источники тока 9, 10 выключены, ключ 11 разомкнут, конденсатор 13 разряжен и выходной сигнал устройства равен нулю.

Заявляемое дифференцирующее устройство представляет собой следящую систему автоматического регулирования, которая поддерживает напряжение U_с на конденсаторе 13 равным изменяющемуся входному напряжению U_вх. Задающей величиной является входное напряжение

Известно, что ток, протекающий через конденсатор, связан с напряжением на нем зависимостью

Так как напряжение на конденсаторе U_c автоматически поддерживается равным U_вх, то имеем

Если включить в цепь источника тока сопротивление R (резистор 12), то снимаемое с него напряжение равно

где k - коэффициент передачи дифференцирующего устройства.

Если равенство (1) не выполняется, то на выходе дифференциального усилителя постоянного тока 1 появляется сигнал рассогласования ΔU. На выходе усилителя-ограничителя 2 формируется сигнал логической единицы, если ΔU>0, и сигнал логического нуля, если ΔU<0. На выходе усилителя-ограничителя 3 также снимаются сигналы логической единицы и логического нуля, если U_вх>0 и U_вх<0 соответственно. Так как дифференцирующее устройство выполняет дифференцирование сигналов положительной и отрицательной полярностей, то возможны четыре варианта комбинации сигналов U_вх и ΔU:

I. U_вх>0, ΔU>0.

II.U_вх<0, ΔU<0.

III. U_вх>0, ΔU<0.

IV. U_вх<0, ΔU>0.

Нетрудно убедиться, что варианты I и II выполнятся при дифференцировании сигналов положительной и отрицательной полярностей путем заряда конденсатора 13 через масштабный резистор 12 от управляемых источников тока 9 и 10 соответственно. При выполнении III и IV замыкается ключ 11 и происходит разряд конденсатора 13 через масштабный резистор 12 до выполнения равенства (1).

Рассмотрим работу дифференцирующего устройства отдельно для каждой комбинации сигналов U_вх и ΔU.

I(II). Пусть на вход дифференцирующего устройства подано напряжение положительной (отрицательной) полярности. Допустим, что в данный момент напряжение на конденсаторе 13 по модулю меньше (больше) входного напряжения. Поэтому сигнал рассогласования будет ΔU>0, (ΔU<0). На выходах усилителей-ограничителей 2 и 3 формируются сигналы логической единицы (логического нуля). Сигнал логической единицы (логического нуля) с выхода первого усилителя-ограничителя 2 поступает одновременно на первые входы первого логического элемента И 4, логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и на вход второго логического элемента И - НЕ 7. Сигнал логической единицы (логического нуля) с выхода второго усилителя-ограничителя 3 подается одновременно на второй вход первого логического элемента И 4, на третий вход логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и на вход первого логического элемента И - НЕ 6. Сигнал логического нуля (логической единицы) с выхода первого логического элемента И - НЕ 6 поступает одновременно на вторые входы логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и второго логического элемента И 8. Сигнал логического нуля (логической единицы) с выхода второго логического элемента И - НЕ 7 подается на первый вход второго логического элемента И 8 и на четвертый вход логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5, выходной сигнал уровня логического нуля которого поступает на управляющий вход ключа 11 и поддерживает его в разомкнутом состоянии. Сигнал логической единицы (логического нуля) с выхода первого логического элемента И 4 подается на вход первого управляемого источника тока 9 и поддерживает его в включенном (выключенном) 6 - состоянии. При этом конденсатор 13 заряжается через масштабный резистор 12. Сигнал логической единицы (логического нуля) с выхода второго логического элемента И - НЕ 7 поступает на вход второго логического элемента И 8, выходной сигнал уровня логического нуля (логической единицы) которого подается на вход второго управляемого источника тока 10 и поддерживает его в выключенном состоянии.

Учитывая идентичность алгоритмов работы дифференцирующего устройства при возникновении комбинации сигналов III или IV, ограничимся рассмотрением только IV.

IV. Пусть в процессе работы дифференцирующего устройства модуль входного напряжения отрицательной полярности уменьшился, то есть имеем U_вх<0, ΔU>0. В этом случае на выходах усилителей-ограничителей 2 и 3 формируются сигналы логической единицы и логического нуля соответственно. Сигнал логической единицы с выхода первого усилителя-ограничителя 2 поступает одновременно на первые входы первого логического элемента И 4, логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и на вход второго логического элемента И - НЕ 7. Сигнал логического нуля с выхода второго усилителя-ограничителя 3 подается на второй вход первого логического элемента И 4, на третий вход логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и на вход первого логического элемента И - НЕ 6. Сигнал логической единицы с выхода первого логического элемента И - НЕ 6 поступает одновременно на вторые входы логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 и второго логического элемента И 8. Сигнал логической единицы с выхода второго логического элемента И - НЕ 7 подается на первый вход второго логического элемента И 8 и на четвертый вход логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5. Так как на первом и втором входах логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 присутствуют сигналы уровня логической единицы, на его выходе формируется сигнал логической единицы. Сигнал логического нуля с выхода первого логического элемента И 4 подается на вход первого управляемого источника тока 9 и поддерживает его в выключенном состоянии. Сигнал логического нуля с выхода второго логического элемента И -НЕ 7 поступает на первый вход второго логического элемента И 8, выходной сигнал уровня логического нуля которого подается на вход второго управляемого источника тока 10 и поддерживает его в выключенном состоянии. Сигнал логической единицы с выхода логического элемента 2 - 2И - 2ИЛИ 5 поступает на управляющий вход ключа 11 и поддерживает его в включенном состоянии. Происходит разряд через масштабный резистор 12 конденсатора 13.

Таким образом, происходит постоянное отслеживание напряжения на конденсаторе 13 и поддержание его значения соответствующим входному напряжению и дифференцирование входного напряжения осуществляется в соответствии с выражением (5). Предлагаемое изобретение выполняет дифференцирование сигналов с сглаживанием и с высокой точностью.

Введение новой совокупности признаков позволяет расширить функциональные возможности дифференцирующего устройства. Расширение функциональных возможностей достигается выполнением операции дифференцирования как положительной, так и отрицательной полярностей входного сигнала.

Источники информации

1. А.с. СССР № 298925, кл. G 06 G 7/18, 1970 г.

2. А.с. СССР № 577540, кл. G 06 G 7/18, 1977 г.

3. Патент Российской Федерации № 2228540, кл. G 06 G 7/18, 2004 г.

Дифференцирующее устройство, содержащее масштабный резистор, подключенный к выходным зажимам устройства, усилитель-ограничитель, вход которого подсоединен к выходу дифференциального усилителя постоянного тока, к первому входу которого подключен источник входного напряжения, к второму входу - первый вывод конденсатора, второй вывод которого подсоединен к общей шине, управляемый источник тока, выход которого через масштабный резистор подключен к первому выводу конденсатора, ключ, первый и второй выводы которого подсоединены к выходу управляемого источника тока и общей шине соответственно, отличающееся тем, что в него введены второй усилитель-ограничитель, вход которого подключен к источнику входного напряжения, первый логический элемент И, выход которого подсоединен к входу первого управляемого источника тока, логический элемент 2-2И-2ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу ключа, выход первого усилителя-ограничителя подсоединен одновременно к первым входам первого логического элемента И, логического элемента 2-2И-2ИЛИ и к входу второго логического элемента И-НЕ, выход второго усилителя-ограничителя подключен одновременно к второму входу первого логического элемента И, к третьему входу логического элемента 2-2И-2ИЛИ и к входу первого логического элемента И-НЕ, выход которого подсоединен одновременно к вторым входам логического элемента 2-2И-2ИЛИ и второго логического элемента И, выход второго логического элемента И-НЕ подключен одновременно к четвертому входу логического элемента 2-2И-2ИЛИ и к первому входу второго логического элемента И, выход которого подсоединен к входу второго управляемого источника тока, выход которого подключен к первому выводу ключа.